JP2008193066A - 光渦レーザービーム発振方法および光渦レーザービーム発振装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】固体レーザー媒質と、該固体レーザー媒質を挟む2枚のシリンドリカルレンズを、反射ミラーと出力ミラーとを具備した光共振器内に配置し、励起光源からの励起光によって前記固体レーザー媒質を光励起することによりレーザービームを発振させるレーザービーム発振方法において、前記光励起により前記固体レーザー媒質内に熱レンズを形成させ、かつ該熱レンズと前記2枚のシリンドリカルレンズと前記光共振器とで高次モードに対して一定の共振条件を満足させ、低次モードに対しては該共振条件を満足させないことにより、高次モードのレーザービームの位相を90度変化させつつ、該高次モードのレーザービームを選択的に増幅、発振させる。
【選択図】図1
Description
(1)広い波長範囲で、高出力の光渦レーザービームを高い生成効率で発振でき、共振器から直接発振できる光渦レーザービーム発振方法
(2)広い波長範囲で、高出力の光渦レーザービームを高い生成効率で発振でき、共振器から直接発振できる光渦レーザービーム発振装置
を提供することにある。
「[1]固体レーザー媒質と、該固体レーザー媒質を挟む2枚のシリンドリカルレンズを、反射ミラーと出力ミラーとを具備した光共振器内に配置し、励起光源からの励起光によって前記固体レーザー媒質を光励起することによりレーザービームを発振させるレーザービーム発振方法において、前記光励起により前記固体レーザー媒質内に熱レンズを形成させ、かつ該熱レンズと前記2枚のシリンドリカルレンズと前記光共振器とで高次モードに対して共振条件;
を満足させ、低次モードに対しては該共振条件を満足させないことにより、高次モードのレーザービームの位相を90度変化させつつ、該高次モードのレーザービームを選択的に増幅、発振させることを特徴とする、光渦レーザービーム発振方法。
[2]前記光励起が前記固体レーザー媒質の側面から励起させる側面励起方式であり、該固体レーザー媒質の側面から奥行き方向に向けて指数関数的に温度が低くなる温度分布勾配による熱レンズを形成させることを特徴とする、[1]記載の光渦レーザービーム発振方法。
[3]固体レーザー媒質が、Ndがドープ濃度1atm%以上でドープされているNd:YVO4もしくはNd:GdVO4であることを特徴とする[1]または[2]記載の光渦レーザービーム発振方法。
[4]励起光源が、レーザーダイオードであることを特徴とする[1]、[2]、[3]のいずれかに記載の光渦レーザービーム発振方法。
[4−1]前記光共振器の反射ミラーとシリンドリカルレンズとの間に、音響光学素子、電気光学素子または可飽和吸収素子を配置しQスイッチとして作用させ、高出力の光渦レーザービームを発振させることを特徴とする、[1]、[2]、[3]、[4]のいずれかに記載の光渦レーザービーム発振方法。
[4−2]前記光共振器の反射ミラーとシリンドリカルレンズとの間に、可飽和吸収体を配置しモードロックレーザーとして作用させ、または、音響光学素子を配置しアクティブモードロックによって、ナノ秒レベルからピコ秒レベルの光渦レーザービームを発振させることを特徴とする、[1]、[2]、[3]、[4]、[4−1]のいずれかに記載の光渦レーザービーム発振方法。
[5]固体レーザー媒質と、該固体レーザー媒質を挟む2枚のシリンドリカルレンズを、反射ミラーと出力ミラーとを具備した光共振器内に配置し、励起光源からの励起光によって前記固体レーザー媒質を光励起することによりレーザービームを発振させるレーザービーム発振装置において、前記レーザーダイオードは、2枚のシリンドリカルレンズの共焦点位置で固体レーザー媒質が光励起されるように配置され、高次モードに対して共振条件;
を満足させ、低次モードに対しては該共振条件を満足させないように熱レンズの焦点距離、反射ミラー側の共振距離、反射ミラーの曲率半径、出力ミラー側の共振距離、出力ミラーの曲率半径が設定されていることを特徴とする光渦レーザービーム発振装置。
[6]固体レーザー媒質が、Ndがドープ濃度1atm%以上でドープされているNd:YVO4もしくはNd:GdVO4であることを特徴とする[5]記載の光渦レーザービーム発振装置。
[7]励起光源が、レーザーダイオードであることを特徴とする[5]または[6]記載の光渦レーザービーム発振装置。
[7−1]前記光共振器の反射ミラーとシリンドリカルレンズとの間に、音響光学素子、電気光学素子または可飽和吸収素子を配置することを特徴とする、[5]、[6]、[7]のいずれかに記載の光渦レーザービーム発振装置。
[7−2]前記光共振器の反射ミラーとシリンドリカルレンズとの間に、可飽和吸収体もしくは音響光学素子を配置することを特徴とする、[5]、[6]、[7]、[7−1]のいずれかに記載の光渦レーザービーム発振装置。」
に関する。
図1は、光渦レーザービーム発振方法に用いる光渦レーザービーム発振装置Aを上方から示したものである。
光共振器である反射ミラー1と出力ミラー2の間には、固体レーザー媒質3が配されている。固体レーザー媒質3の側面3aに励起光4が照射されるように励起光源であるレーザーダイオード5が配されている。なお、励起光源は、レーザーダイオード(半導体レーザー)が好ましいが、レーザーダイオード(半導体レーザー)の代わりに同等の性能を有する励起光源を使用してもよい。
固体レーザー媒質3の一方の端面3b1と反射ミラー1との間に、シリンドリカルレンズ6が配され、同様に固体レーザー媒質3の他方の端面3b2と出力ミラー2との間に、シリンドリカルレンズ7が配されている。シリンドリカルレンズ6及び7は、共振器内の光路断面において縦方向に曲面を持つように配されている。
上記式は、焦点距離fのレンズを挟んで共振長LM1の距離をおく曲率半径RM1の反射ミラーと、共振長LM2の距離をおく曲率半径RM2の出力ミラーとが対向配置されている光共振器の一般的な安定条件である。ここで、L=LM1+LM2−LM1・LM2/fである。本発明においては、焦点距離fは、熱レンズの焦点距離である。前述の通り、熱レンズの焦点距離fは、ビームサイズにより変わるので、g1、g2の値は、ビームサイズにより変わり、同じ共振器でも、高次モードに対して上記式の共振条件を満足させ、低次モードに対しては満足させないことが可能となる。
を満足させ、低次モードに対しては該共振条件を満足させないように設定されたことを特徴とする。なお、各構成要素は、本第1発明の光渦レーザービーム発振方法で説明した通りである。
[実施例1]
[光渦レーザービームの発生条件]
本第1発明の光渦レーザービーム発生方法、本第2発明の光渦レーザービーム発振装置Aにおいて、高次モードに対して共振条件(式1)を満足させ、低次モードに対しては該共振条件(式1)を満足させないように、下記のパラメータを設定して、光渦レーザービームの連続波を発生させた。なお、励起光4の出力を35W、45W、50W、55Wの4段階とした。以下の説明は図1に基づいている。
(1)下記共振条件(式1)に関するパラメータ
反射ミラーの曲率半径RM1: ∞
出力ミラーの共振長LM2: 16cm
出力ミラーの曲率半径RM2: ∞
低次モードに対する熱レンズの焦点距離fの概算値: 14〜26cm(表1参照)
高次モードに対する熱レンズの焦点距離fの概算値: 22〜43cm(表1参照)
低次モードに対するL=40cm(Lは共振器全長)
高次モードに対するL=40cm(Lは共振器全長)
低次モードに対するg1g2の概算値: −0.04〜−0.007(表2参照)
高次モードに対するg1g2の概算値: 0.007〜0.22(表2参照)
(2)シリンドリカルレンズ6及び7について
シリンドリカルレンズ6及び7の焦点距離は、共に50mmである。
(3)反射ミラー1及び出力ミラー2について
反射ミラー1及び出力ミラー2は、共に平面ミラーである。反射ミラー1は全反射ミラーであり、出力ミラー2のミラー反射率は85%である。
(4)固体レーザー媒質3について
固体レーザー媒質3は、Ndがドープ濃度1atm%でドープされているNd:YVO4であり、その大きさは、20mm×5mm×2mm(側面3a:20mm×2mm、端面3b1、3b2:5mm×2mm)である。固体レーザー媒質3の側面3aには、光波長808nmに対するARコートが施されている。また固体レーザー媒質3の端面3b1及び3b2には、光波長1.3μmに対するARコートが施されている。
(5)レーザーダイオード5について
レーザーダイオード5から35W、45W、50W、55Wの4段階の励起光4を出力した。励起光4の波長は、808nmである。レーザーダイオード5と固体レーザー媒質3の側面3aとの間に、図示してないが、光路断面において縦方向に曲面を持つシリンドリカルレンズが配置されている。
(1)光渦出力について
上述の方法にて発生した光渦レーザービーム9について説明する。出力されたレーザービーム9は、パワーメーターで計測した。その結果を表3に示す。これらの光渦の波長は、1.3μmであった。
光渦を確認するために用いた干渉計はマッハツェンダー干渉計であり、図3にその光学系を示す。この光学系は、ハーフミラー13により光渦レーザービーム9を二つの行路に分けて、光渦レーザービーム9aと9bとし、光渦レーザービーム9aの行路にはミラー14、ピンホール15、レンズ16を置き、光渦レーザービーム9aの一部をピンホール15で切り出し、レンズ16によって球面波17に変換する。ハーフミラー18、ミラー19、プリズムミラー20により球面波17と光渦レーザービーム9bを重ね合わせて、その干渉縞21を観測するためのものである。干渉縞21は光強度のない真ん中から渦を描いた(図3の右側)。
図4の(a)は、発生した光渦の強度分布を示す。図4の(b)は、光渦を球面波と重ね合わせたときに観測された渦状の干渉縞を示す。
図4の(c)は、図3の光学系において、ピンホールを用いず光渦を球面波に変換せず、光渦同士を干渉させた時に観測される干渉縞を示す。干渉縞が切れていることから、真ん中に位相特異点があることが確認できる。図4の(d)は、光渦同士を干渉させた時に観測される干渉縞の数値シミュレーション画像である。図4の(c)と(d)とが実験と理論に対応する。以上から、出力されたレーザービームが光渦であることが分かる。
[光渦レーザービームの発生条件]
本第1発明の光渦レーザービーム発生方法、本第2発明の光渦レーザービーム発振装置Bにおいて、高次モードに対して共振条件(式1)を満足させ、低次モードに対しては該共振条件(式1)を満足させないように、下記のパラメータを設定して、光渦レーザービームのQスイッチモードロックパルスを発生させた。なお、励起光4の出力を34W,42Wとした。以下の説明は図5に基づいている。
(1)下記共振条件(式1)に関するパラメータ
反射ミラーの曲率半径RM1: ∞
出力ミラーの共振長LM2: 440mm
出力ミラーの曲率半径RM2: ∞
低次モードに対する熱レンズの焦点距離fの概算値(表4参照)
高次モードに対する熱レンズの焦点距離fの概算値(表4参照)
低次モードに対するL=865mm(Lは共振器全長)
高次モードに対するL=865mm(Lは共振器全長)
低次モードに対するg1g2の概算値:表5参照
高次モードに対するg1g2の概算値:表5参照
(2)シリンドリカルレンズ6及び7について
シリンドリカルレンズ6及び7の焦点距離は、共に50mmである。
(3)反射ミラー1及び出力ミラー2について
反射ミラー1及び出力ミラー2は、共に平面ミラーである。反射ミラー1は全反射ミラーであり、出力ミラー2のミラー反射率は40%である。
(4)固体レーザー媒質3について
固体レーザー媒質3は、Nd3+がドープ濃度1atm%でドープされているNd:GdVO4であり、その大きさは、20mm×5mm×2mm(側面3a:20mm×2mm、端面3b1、3b2:5mm×2mm)である。固体レーザー媒質3の側面3aには、光波長809nmに対するARコートが施されている。また固体レーザー媒質3の端面3b1及び3b2には、光波長1064nmに対するARコートが施されている。図5の固体レーザー媒質3には、c軸の方向が示されている。固体レーザー媒質3の側面3aと共振器内部を往復する光のなす角は28°である。
(5)レーザーダイオード5について
レーザーダイオード5から34W,42Wの励起光4を出力した。励起光4の波長は、809nmである。レーザーダイオード5と固体レーザー媒質3の側面3aとの間に、光路断面において縦方向に曲面を持つシリンドリカルレンズ22が配置されている。
(6)音響光学素子(AOM)23について
反射ミラー1とシリンドリカルレンズ6との間に、音響光学素子(AOM)23が配置されており、該音響光学素子(AOM)23と固体レーザー媒質3との間に、焦点距離が50mmのテレスコープ24と焦点距離が100mmのテレスコープ25が配置されている(図5)。テレスコープ24は、反射ミラー1から50mmの位置に配置され、テレスコープ25は、反射ミラー1から200mmの位置に配置されている。
音響光学素子(AOM)23をQスイッチドモードロッカーとして作用させ、光渦レーザービームのQスイッチモードロックパルス26を出力した。なお、音響光学素子(AOM)23の繰返し周波数を100kHzとし、モードロック周波数を〜170MHz(およそ170MHz)とした。
図6に、励起光出力42Wの場合の発生した光渦レーザービームのQスイッチモードロックパルスを示す。Qスイッチモードロックパルスの波長は、1063nmであった。なお、図6の縦軸は光強度(なお、単位はa.u.(arbitrary unit)である)、横軸が時間である。該Qスイッチモードロックパルスのパルス時間幅は、約100nsであった。また、ワンパルス上に時間間隔が約5nsの複数のスパイクが存在していることが分かる。よって、本第1発明の光渦レーザービーム発生方法、本第2発明の光渦レーザービーム発振装置Bにより、最大出力>10kWといった高いピークパワーの光渦レーザービームを得ることができた。
1 反射ミラー
2 出力ミラー
3 固体レーザー媒質
3a 固体レーザー媒質の側面
4 励起光
5 レーザーダイオード
3b1 固体レーザー媒質3の一方の端面
6 シリンドリカルレンズ
3b2 固体レーザー媒質3の他方の端面
7 シリンドリカルレンズ
8 熱レンズ
8a 低次モードの細い光が感じる熱レンズ
8b 高次モードの比較的太い光が感じる熱レンズ
9 光渦レーザービーム
9a 光渦レーザービーム
9b 光渦レーザービーム
10 固体レーザー媒質内の屈折率分布
11 鏡面
12 鏡像
13 ハーフミラー
14 ミラー
15 ピンホール
16 レンズ
17 球面波
18 ハーフミラー
19 ミラー
20 プリズムミラー
21 干渉縞
22 シリンドリカルレンズ
23 音響光学素子(AOM)
24 テレスコープ(焦点距離50mm)
25 テレスコープ(焦点距離100mm)
26 光渦レーザービームのQスイッチモードロックパルス
Claims (7)
- 固体レーザー媒質と、該固体レーザー媒質を挟む2枚のシリンドリカルレンズを、反射ミラーと出力ミラーとを具備した光共振器内に配置し、励起光源からの励起光によって前記固体レーザー媒質を光励起することによりレーザービームを発振させるレーザービーム発振方法において、前記光励起により前記固体レーザー媒質内に熱レンズを形成させ、かつ該熱レンズと前記2枚のシリンドリカルレンズと前記光共振器とで高次モードに対して共振条件;
を満足させ、低次モードに対しては該共振条件を満足させないことにより、高次モードのレーザービームの位相を90度変化させつつ、該高次モードのレーザービームを選択的に増幅、発振させることを特徴とする、光渦レーザービーム発振方法。 - 前記光励起が前記固体レーザー媒質の側面から励起させる側面励起方式であり、該固体レーザー媒質の側面から奥行き方向に向けて指数関数的に温度が低くなる温度分布勾配による熱レンズを形成させることを特徴とする請求項1記載の光渦レーザービーム発振方法。
- 固体レーザー媒質が、Ndがドープ濃度1atm%以上でドープされているNd:YVO4もしくはNd:GdVO4であることを特徴とする請求項1または請求項2記載の光渦レーザービーム発振方法。
- 励起光源が、レーザーダイオードであることを特徴とする請求項1〜請求項3いずれか1項記載の光渦レーザービーム発振方法。
- 固体レーザー媒質と、該固体レーザー媒質を挟む2枚のシリンドリカルレンズを、反射ミラーと出力ミラーとを具備した光共振器内に配置し、励起光源からの励起光によって前記固体レーザー媒質を光励起することによりレーザービームを発振させるレーザービーム発振装置において、前記レーザーダイオードは、2枚のシリンドリカルレンズの共焦点位置で固体レーザー媒質が光励起されるように配置され、高次モードに対して共振条件;
を満足させ、低次モードに対しては該共振条件を満足させないように熱レンズの焦点距離、反射ミラー側の共振距離、反射ミラーの曲率半径、出力ミラー側の共振距離、出力ミラーの曲率半径が設定されていることを特徴とする光渦レーザービーム発振装置。 - 固体レーザー媒質が、Ndがドープ濃度1atm%以上でドープされているNd:YVO4もしくはNd:GdVO4であることを特徴とする請求項5記載の光渦レーザービーム発振装置。
- 励起光源が、レーザーダイオードであることを特徴とする請求項5または請求項6記載の光渦レーザービーム発振装置。
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